Návrh skutočného prevodníka rms na dc pomocou ic ad736

True-RMS alebo TRMS je typ prevodníka, ktorý prevádza hodnotu RMS na ekvivalentnú hodnotu DC. Tu v tomto výučbe sa dozvieme o skutočnom prevodníku RMS na DC, o tom, ako funguje a ako môžu metódy merania ovplyvniť zobrazené výsledky.

Čo je RMS?

RMS je skratka Root Mean Square. Podľa definície je pre striedavý elektrický prúd hodnota RMS ekvivalentná s jednosmerným napätím, ktoré dáva rovnaké množstvo energie do rezistora.

Skutočný RMS IC AD736

IC AD736 má niekoľko funkčných podsekcií, ako je vstupný zosilňovač, usmerňovač s plnou vlnou (FWR), jadro RMS, výstupný zosilňovač a predpätie. Vstupný zosilňovač je skonštruovaný z MOSFETov, takže je zodpovedný za vysokú impedanciu tohto integrovaného obvodu.

Za vstupným zosilňovačom je presný usmerňovač s plnou vlnou, ktorý je zodpovedný za riadenie jadra RMS. Základné operácie RMS kvadratúry, priemerovania a zakorenenia štvorca sa vykonávajú v jadre pomocou externého priemerovacieho kondenzátora CAV. Pamätajte, že bez CAV putuje usmernený vstupný signál cez jadro nespracovaný.

Nakoniec výstupný zosilňovač vyrovnáva výstup z RMS jadra a umožňuje vykonávanie voliteľnej dolnopriepustnej filtrácie cez externý kondenzátor CF, ktorý je pripojený cez spätnoväzbovú cestu zosilňovača.

Vlastnosti IC AD736

Vlastnosti IC sú uvedené nižšie
Vysoká vstupná impedancia: 10 ^ 12 Ω
Nízky vstupný predpätý prúd: maximálne 25 pA
Vysoká presnosť: ± 0,3 mV ± 0,3% odčítanej hodnoty
Konverzia RMS s faktormi výkyvu signálu do 5
Široký rozsah napájania: +2,8 V, -3,2 V až ± 16,5 V
Nízky výkon: maximálny napájací prúd 200 µA
Tlmený výstup napätia
Pre požadovanú presnosť nie sú potrebné žiadne externé obruby

Poznámka: Upozorňujeme, že funkčný blokový diagram, popis funkcie a zoznam funkcií sú prevzaté z údajového listu a upravené podľa potreby.

Pravdivé metódy merania RMS - DC

K dispozícii sú hlavne tri metódy, ktoré DVM používa na meranie striedavého prúdu, sú to

Meranie True-RMS
Priemerné usmernené meranie
True-RMS meranie AC + DC

Meranie True-RMS

True-RMS je pomerne bežná a populárna metóda na meranie dynamických signálov všetkých tvarov a veľkostí. V multimetri True-RMS multimetr vypočítava hodnotu RMS vstupného signálu a zobrazuje výsledok. Preto je to veľmi presné porovnanie s priemernou metódou usmerneného merania.

Priemerné usmernené meranie

V priemernom usmernenom DVM berie priemernú alebo strednú hodnotu vstupného signálu a vynásobí ho 1,11 a zobrazí hodnotu RMS. Môžeme teda povedať, že ide o priemerný usmernený RMS zobrazovací multimetr.

True-RMS meranie AC + DC

Na prekonanie medzier v multimetri True-RMS existuje metóda merania True-RMS AC + DC. Pokiaľ by ste merali PWM signál pomocou multimetra True-RMS, prečítate nesprávnu hodnotu. Poďme porozumieť tejto metóde s niektorými vzorcami a videom. Nájdite video na konci tohto tutoriálu.

Výpočet pre prevodník True RMS

Hodnota RMS

Vzorec na výpočet hodnoty RMS je opísaný ako

Ak urobíme počet uvažovaním

V (t) = Vm Sin (hmotn.) 0

Toto sa scvrkáva na

Vm / (2) ^1/2

Priemerná hodnota

Vzorec na výpočet priemernej hodnoty je opísaný ako

Ak urobíme počet uvažovaním

V (t) = Vm Sin (hmotn.) 0

Toto sa scvrkáva na

2 Vm / ᴫ

Príklad výpočtu Skutočný prevodník RMS na DC

Príklad 1

Ak vezmeme do úvahy špičkové napätie 1 V a dáme ho do vzorca na výpočet RMS napätia, ktoré je, VRMS = Vm / √2 = 1 / √2 = 0,707 V.

Teraz uvažujeme špičkové napätie 1 V a vložíme ho do vzorca na výpočet priemerného napätia, ktoré je, VAVE = 2VM / π = 2 * 1 / π = 2 / π = 0,637V

Preto v nepravom RMS DVM je hodnota kalibrovaná koeficientom 1,11, ktorý pochádza z VRMS / VAVE = 0,707 / 637 = 1,11V

Príklad 2

Teraz máme špičkovú čistú sínusovú vlnu striedavého prúdu 5 V a priamo ju napájame na DVM, ktorý má skutočné schopnosti RMS, takže výpočet by bol, VRMS = Vm / √2 = 5 / √2 = 3,535V

Teraz máme špičkovú čistú sínusovú vlnu striedavého prúdu 5 V a priamo ju napájame na DVM, čo je priemerný usmernený DVM, takže výpočet by bol, VAVE = 2VM / π = 2 * 5 / π = 10 / π = 3,183V

Teraz sa v tomto okamihu hodnota uvedená v priemernom DVM nerovná RMS DVM, takže výrobcovia pevne kódujú faktor 1,11 V na kompenzáciu chyby.

Tak sa stáva, VAVE = 3,183 * 1,11 = 3,535V

Z vyššie uvedených vzorcov a príkladov teda môžeme dokázať, že ako nepravdivý multimetr RMS počíta striedavé napätie.

Ale táto hodnota je presná iba pre čistý sínusový priebeh. Takže vidíme, že potrebujeme skutočné RMS DVM na správne meranie nesínusového priebehu. V opačnom prípade sa zobrazí chyba.

Na čo treba pamätať

Pred výpočtami pre praktické použitie je potrebné poznať niektoré skutočnosti, aby ste pochopili presnosť pri meraní napätia RMS pomocou IC AD736.

Datasheet AD736 hovorí o dvoch najdôležitejších faktoroch, ktoré by sa mali brať do úvahy pri výpočte percenta chyby, ktorú tento IC spôsobí pri meraní RMS hodnoty.

Frekvenčná odozva
Faktor výkyvu

Frekvenčná odozva

Pozorovaním kriviek na grafe môžeme pozorovať, že kmitočtová charakteristika nie je konštantná s amplitúdou, ale čím menšia je amplitúda, ktorú meriate na vstupe svojho prevodníka IC, frekvenčná odozva klesá a v spodných rozsahoch merania okolo 1 mv, zrazu klesne o pár kHz.

Datasheet poskytuje niektoré čísla týkajúce sa tejto témy, ktoré môžete vidieť nižšie

Limit pre presné meranie je 1%

Takže môžeme jasne vidieť, že ak je vstupné napätie 1 mv a frekvencia 1 kHz, už dosahuje ďalšiu chybovú značku o 1%. Predpokladám, že teraz môžete pochopiť ostatné hodnoty.

POZNÁMKA: Krivka frekvenčnej odozvy a tabuľka sú prevzaté z údajového listu.

Faktor výkyvu

Zjednodušene povedané, činiteľom výkyvu je pomer maximálnej hodnoty vydelený hodnotou RMS.

Faktor výkyvu = VPK / VRMS

Napríklad, ak vezmeme do úvahy čistú sínusovú vlnu s amplitúdou

VRMS = 10 V

Peak napätie sa stáva

VPK = VRMS * √2 = 10 * 1,414 = 14,14

To jasne vidíte na obrázku nižšie prevzatom z wikipédie

Nasledujúca tabuľka z údajového listu nám hovorí, že ak je vypočítaný činiteľ výkyvu medzi 1 až 3, môžeme očakávať ďalšiu chybu 0,7%, inak musíme brať do úvahy 2,5% ďalšej chyby, čo platí pre signál PWM.

Schéma skutočného prevodníka RMS pomocou IC AD736

Nižšie uvedená schéma pre prevodník RMS je prevzatá z údajového listu a upravená podľa našich potrieb.

Súčasti sú povinné

Č	Diely	Typ	Množstvo
1	736 AD	IC	1
2	100 tis	Rezistor	2
3	10uF	Kondenzátor	2
4	100uF	Kondenzátor	2
5	33uF	Kondenzátor	1
6	9V	Batéria	1
7	Single Gauge Wire	Generické	8
8	Transformátor	0 - 4,5V	1
9	Arduino Nano	Generické	1
10	Nepál	Generické	1

Skutočný prevodník RMS na DC - praktické výpočty a testovanie

Na demonštráciu sa používa nasledujúci prístroj

Multimetr Meco 108B + TRMS
Multimetr Meco 450B + TRMS
Osciloskop Hantek 6022BE

Ako je znázornené na schéme, použije sa vstupný útlm, ktorý je v podstate obvodom deliča napätia na zoslabenie vstupného signálu IC AD736, pretože vstupné napätie tohto IC v plnom rozsahu je 200 mV MAX.

Teraz, keď máme jasné niektoré základné fakty o obvode, začnime výpočty praktického obvodu.

Výpočty RMS pre 50 Hz sínusové vlny

Napätie transformátora: 5,481 V RMS, 50 Hz

Hodnota odporu R1: 50,45K

Hodnota odporu R1: 220R

Vstupné napätie transformátora

Teraz, keď dáme tieto hodnoty do online kalkulačky deliča napätia a vypočítame, dostaneme výstupné napätie 0,02355V ALEBO 23,55mV

Teraz je jasne viditeľný vstup a výstup obvodu.

Na pravej strane zobrazuje multimetr Meco 108B + TRMS vstupné napätie. To je výstup obvodu deliča napätia.

Na ľavej strane zobrazuje multimetr Meco 450B + TRMS výstupné napätie. To je výstupné napätie z AD736 IC.

Teraz vidíte, že vyššie uvedený teoretický výpočet a obidva výsledky multimetra sú si blízke, takže pre čistú sínusovú vlnu to teóriu potvrdzuje.

Chyba merania vo výsledkoch multimetra je spôsobená ich toleranciou a na demonštráciu používam sieťový vstup 230V AC, ktorý sa časom veľmi rýchlo mení.

Ak máte pochybnosti, môžete si obrázok priblížiť a zistiť, že multimetr Meco 108B + TRMS je v režime AC a multimetr Meco 450B + TRMS je v režime DC.

V tomto okamihu som sa neobťažoval použiť svoj osciloskop hantek 6022BL, pretože osciloskop je do značnej miery zbytočný a pri týchto nízkych úrovniach napätia zobrazuje iba šum.

Výpočty pre signál PWM

Na demonštráciu sa pomocou Arduina generuje signál PWM. Napätie dosky Arduino je 4,956V a frekvencia takmer 1 kHz.

Max. Napätie dosky Arduino: 4,956 V, 989,3 Hz

Hodnota rezistora R1: 50,75 tis

Hodnota odporu R1: 220R

Vstupné napätie na doske Arduino

Teraz dajte tieto hodnoty do online kalkulačky deliča napätia a vypočítajte, dostaneme výstupné napätie 0,02141V ALEBO 21,41mV.

Toto je špičkové napätie vstupného signálu PWM a aby sme našli napätie RMS, musíme ho jednoducho vydeliť √2, aby sa výpočet stal

VRMS = Vm / √2 = 0,02141 / √2 = 0,01514V alebo 15,14mV

Teoreticky bude multimetr True-RMS ľahko vypočítať túto teoreticky vypočítanú hodnotu, však?

V režime DC

V režime striedavého prúdu

Transformátor na obrázku tam sedí a nič nerobí. Vďaka tomu môžete vidieť, že som veľmi lenivý človek.

V čom je teda problém?

Skôr než ktokoľvek skočí a povie, že sme výpočty vykonali nesprávne, dovoľte mi povedať, že sme výpočty vykonali správne, a problém je v multimetroch.

V režime DC multimetr jednoducho berie priemer vstupného signálu, ktorý môžeme vypočítať.

Takže vstupné napätie je 0,02141V a pre získanie priemerného napätia jednoducho vynásobí hodnotu 0,5.

Takže výpočet sa stáva, VAVE = 0,02141 * 0,5 = 0,010705V alebo 10,70mV

A to je to, čo dostávame na displeji multimetra.

V režime striedavého prúdu blokuje vstupný kondenzátor multimetra jednosmerné zložky vstupného signálu, takže výpočet sa stáva takmer rovnakým.

Ako je teraz jasne vidieť, v tejto situácii sú obidve údaje absolútne chybné. Nemôžete teda dôverovať displeju multimetra. Preto existujú multimetre so schopnosťou True RMS AC + DC, ktoré dokážu ľahko presne merať tento druh kriviek. Napríklad extech 570A je multimetr s funkciami True RMS AC + DC.

AD736 je druh IC, ktorý sa používa na meranie týchto typov vstupných signálov presne. Nasledujúci obrázok je dôkazom teórie.

Teraz sme vypočítali RMS napätie na 15,14 mV. Ale multimetr ukazuje 15,313mV, pretože sme nezohľadňovali činiteľ výkyvu a frekvenčnú odozvu IC AD736.

Pretože sme vypočítali činiteľ výkyvu, je to 0,7% z vypočítanej hodnoty, takže ak urobíme matematiku, zredukuje sa na 0,00010598 alebo 0,10598mV

Takže

Vout = 15,14 + 0,10598 = 15,2459 mV

Alebo

Vout = 15,14 - 0,10598 = 15,0340 mV

Takže hodnota zobrazená multimetrom Meco 450B + je jednoznačne v rozmedzí chýb 0,7%

Arduino kód pre generovanie PWM

Skoro som zabudol spomenúť, že som tento Arduino kód použil na generovanie signálu PWM s 50% pracovným cyklom.

int OUT_PIN = 2; // štvorcová vlna s 50% pracovným cyklom void setup () {pinMode (OUT_PIN, OUTPUT); // definovanie pinu ako výstupu} void loop () {/ * * ak prevedieme 500 mikrosekúnd na sekundy, dostaneme 0,0005S * teraz, ak to dáme do vzorca F = 1 / T * dostaneme F = 1 / 0,0005 = 2000 * pin je zapnutý na 500 uS a vypnutý pre 500 nás, takže * frekvencia sa stane F = 2000/2 = 1000Hz alebo 1 KHz * * / digitalWrite (OUT_PIN, HIGH); delayMicroseconds (500); digitalWrite (OUT_PIN, LOW); delayMicroseconds (500); }

Tu sa dozviete viac o generovaní PWM pomocou Arduina.

Prevencia

AD736 True RMS na DC prevodník IC je zďaleka najdrahší 8-PIN PDIP IC, s ktorým som spolupracoval.

Po úplnom zničení jedného pomocou ESD som urobil náležité opatrenia a pripútal som sa na zem.

Vylepšenia obvodov

Na ukážku som obvod vyrobil v nepájivej doske, ktorá sa absolútne neodporúča. Preto sa chyba merania zvýši po určitom frekvenčnom rozsahu. Tento obvod potrebuje riadny PCB s riadnym s tar-rovinou vozovky, aby fungoval správne.

Aplikácie prevodníka True RMS na DC

Používa sa v

Vysoko presné voltmetre a multimetre.
Vysoko presné nesínusové meranie napätia.

Dúfam, že sa vám tento článok páčil a dozvedeli ste sa z neho niečo nové. Ak máte pochybnosti, môžete sa opýtať v komentároch nižšie alebo môžete využiť naše fóra na podrobnú diskusiu.

Podrobné video, ktoré ukazuje celý proces výpočtu, je uvedené nižšie.